1.1　實際電路和電路模型

實際電路是指由電器件或電工設(shè)備按照預(yù)期目的連接而形成的電流通路。電器件和電工設(shè)備包括電阻器、電感器、電容器、二極管、三極管、電動機、發(fā)電機和變壓器等。日常生活中，實際電路多種多樣，功能各異，大到高電壓遠距離電力輸電線路，小到芯片上的集成電路，但它們都遵循相同的基本規(guī)律。

實際電路的構(gòu)成一般包括電源、中間環(huán)節(jié)和負載3個部分。電源是指電路中提供電能或電信號的電工設(shè)備和電器件，通常也稱為激勵，由激勵產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。負載是指消耗電能的電工設(shè)備和電器件。連接電源和負載的中間部分稱為中間環(huán)節(jié)。根據(jù)不同的應(yīng)用場合，實際電路主要實現(xiàn)電能的傳輸與分配、信息的傳遞與處理兩大功能。

電路分析主要是指計算和分析電路中各部分的電壓、電流及功率，一般不涉及電路內(nèi)部發(fā)生的物理過程。研究的對象不是實際電路而是實際電路的模型，主要研究過程是先對實際電路進行近似和假設(shè)，建立合適的理想化模型，然后對該模型列寫方程進行定性或者定量分析，最后得到分析結(jié)果。電路分析過程如圖1-1所示。

以手電筒電路為例，具體說明由實際電路到電路模型的分析思路。圖1-2（a）所示為實際手電筒電路，由電池、開關(guān)、燈泡和導(dǎo)線連接而成，電池為電源，燈泡為負載。其電路模型如圖1-2（b）所示，電池的模型用理想電源Es和電阻元件R0串聯(lián)近似表示，反映了將電池內(nèi)化學能轉(zhuǎn)換為電能及電池本身耗能的物理過程；開關(guān)模型用接通電阻為零、斷開電阻為∞的理想開關(guān)近似表示；燈泡的模型用電阻R近似表示，反映了電能轉(zhuǎn)換為熱能和光能這一物理現(xiàn)象；導(dǎo)線模型用電阻為零的理想導(dǎo)線近似表示。

由實際電路抽象為電路模型，是對實際電器件建模的過程。需要注意的是，同一個電器件在不同的應(yīng)用場合會得到不同的模型。例如，一個線圈，在直流情況下可用電阻作為其模型；在低頻交流情況下可用電阻和電感的串聯(lián)進行建模；在高頻交流情況下則必須考慮寄生電容的影響，所以其模型是在電阻和電感串聯(lián)的基礎(chǔ)上再并聯(lián)一個電容。由此可見，模型選取恰當與否，直接決定了其是否能比較真實地反映實際情況。在對實際電路進行建模時并不是越復(fù)雜越好，太復(fù)雜會因計算量大而造成分析困難，太簡單則可能導(dǎo)致計算結(jié)果誤差過大，所以建模時要綜合考慮模型精確度和計算量之間的關(guān)系。

電路模型分為集總參數(shù)電路模型和分布參數(shù)電路模型兩種。當實際電路的幾何尺寸d遠小于電路工作時電磁波的波長λ，即d<<λ時，電磁波在電路中傳播的時間可以忽略，此時空間因素不予考慮，電路中的電信號僅為時間的函數(shù)，電路可以近似為由理想電路元件構(gòu)成的電路模型。這種電路稱為集總參數(shù)電路，否則稱為分布參數(shù)電路。理想電路元件也稱為集總參數(shù)元件。由理想電路元件互連而成的電路模型稱為集總參數(shù)電路模型。

例如，我國電力系統(tǒng)工頻為50Hz，電磁波的傳播速度近似為光速，即v≈c=3×108m/s，則電磁波的波長為

工頻下除電力系統(tǒng)傳輸線以外，絕大多數(shù)電路的尺寸都遠遠小于6000km，因此一般都能作為集總參數(shù)電路進行處理。電子電路中常含有高頻信號，高頻信號下電磁波的波長可能很小，所以不能認為只要電路尺寸小就屬于集總參數(shù)電路。

理想電路元件的特點是沒有空間大小，用于表征單一電磁現(xiàn)象，具有精確的特性方程。如用理想電源元件表征具備提供能量能力的電器元件或設(shè)備，用理想電阻元件表征電路的耗能特性，用理想電容元件表征電路的電場效應(yīng)，用理想電感元件表征電路的磁場效應(yīng)等。當電路元件有n個端子與外電路相連時，稱為n端元件。

本書以集總參數(shù)電路為研究對象進行電路分析。